CHAPTER 10 2024 Test PDF

Introduction: One might ask, why we study nuclear physics? Is this branch of knowledge important for humans? One might ask too about the energy in that small part of the atom called nucleus, which late turned out to be stored mass energy. Nuclear energy is used for: 1- peaceful purposes, (as in t...

Introduction: One might ask, why we study nuclear physics? Is this branch of knowledge important for humans? One might ask too about the energy in that small part of the atom called nucleus, which late turned out to be stored mass energy. Nuclear energy is used for: 1- peaceful purposes, (as in transforming nuclear energy to electric energy). 2- non- peaceful purposes (as in nuclear weapons production). Q/ How nuclear physics arose? Ans/ (1896) is considered birth date of nuclear physics, French Scientist Henry Becquerel discovered natural radioactivity in Uranium compounds. In (1911) Rutherford proposed the nuclear model of the atom. He assumed that positive charges concentrate in a tiny space at the center of the atoms called nucleus. Then discoveries continued later, which opened new horizons not only for nuclear physics but also many disciplines like medicine, industry and agriculture. In this chapter, we will study some features of nucleus and some of its applications. 1  ‫‪ It consists of positively charged particles called protons, and neutral‬‬ ‫‪charge particles called neutrons (zero charge).‬‬ ‫إن النواة تتكون من جسيمات البروتونات الموجبة الشحنة وجسيمات النيوترونات المتعادلة الشحنة (شحنة النيوترون تساوي‬ ‫ ‬ ‫صفرا)‪.‬‬ ‫‪ The proton and neutron is called nucleon. This means the nucleus consists‬‬ ‫‪of nucleons.‬‬ ‫يطلق على البروتون أو النيوترون بال (نيوكليون) أو بال (نوية) أي إن النواة تتكون من النيوكليونات‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ The proton is symbolized by ( 11𝐻 ) or (p), in some cases ( 11𝑃), the neutron‬‬ ‫‪is symbolized ( 10𝑛) or (n).‬‬ ‫يرمز للبروتون بالرمز 𝑯𝟏𝟏 أو‪ P ،‬وفي بعض األحيان 𝑷𝟏𝟏 ويرمز للنيوترون بالرمز 𝒏𝟎𝟏 أو (‪.)n‬‬ ‫ ‬ ‫‪ The number of protons in the nucleus is called the atomic number (Z).‬‬ ‫إن عدد البروتونات في النواة يسمى العدد الذري (‪ ,)Z‬ويكتب عادة يسار رمز العنصر او (رمز النواة) من األسفل‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪ the number of neutrons in nucleus is called neutron number (N).‬‬ ‫عدد النيوترونات في النيوترونات في النواة يسمى بالعدد النيوتروني (‪.)N‬‬ ‫ ‬ ‫‪ As for total of protons and neutrons in nucleus, it is called mass number‬‬ ‫‪(A).‬‬ ‫أما مجموع عدد البروتونات والنيوترونات في النواة يسمى بالعدد الكتلي (‪( )A‬وفي بعض األحيان يسمى بعدد الكتلة)‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪2‬‬ The mass number (A) is written on the upper left of nucleus symbol (X), as follow: A = Z + N ‫حفظ‬ For example, aluminum nucleus, the atomic number is (Z=13), mass number (A=27), so it symbolized by ( 27 13𝐴𝐼 ). (Al) refers to symbol of aluminum nucleus. Applying the relation (A = Z+N), the number of neutrons in aluminum nucleus (N) is (14) neutrons. Q/ What is meant by isotopes? Ans/ they are nuclei which are equal in atomic number and different in neutron number (or mass number) for example: ( 63𝐿𝑖, 73𝐿𝑖, 83𝐿𝑖) are three isotopes of lithium..‫ نظائر العنصر ؟ اعط مثال على ذلك‬:‫ ما المقصود بـ‬/ ‫س‬ ‫ ومثال على ذلك النظائر‬.)‫ هو نوى متساوية في العدد الذري وتختلف في عدد النيوترونات أو (العدد الكتلي‬: ‫ نظائر العنصر‬/‫الجواب‬ :‫ حيث إن للليثيوم ثالثة نظائر هي‬. ‫الثالثة للليثيوم‬ 6 7 8 3𝐿𝑖 , 3𝐿𝑖 , 3𝐿𝑖 3 Q/ How atom nucleus mass measured? Ans/ They are measured by accurate devices like mass spectrometer. ‫ كيف تقاس كتل النوى؟‬/ ‫س‬.)‫تقاس كتل النوى بوساطة أجهزة دقيقة ومنها (مطياف الكتلة‬ Q/ What is the unit of Masses of atom nucleus? Ans/ by atomic mass unit (amu) or symbolized by (u) instead of kilogram, which is not appropriate to measure micro atomic and tiny nuclear masses. 1 𝑎𝑚𝑢 = 1 𝑢 = 1.66 × 10−27 𝐾𝑔 ‫للحفظ‬ ‫ ما هي الوحدة المستخدمة لقياس كتلة النواة ؟‬/ ‫س‬.)Kg( ‫) بدال من وحدة ال‬U( ‫( ( أو مختصرها‬a m u ) ‫الوحدة المستخدمة لقياس كتلة النواة هي (حدة الكتلة الذرية‬ Since the nucleus contains the (A) nucleons, and nucleon mass is close to mass of (1u), then approximate mass of nucleus is (𝑚̀) which equals (A×u). 𝑚 ‫ ) وبذلك فإن كتلة النواة التقريبية‬1U( ‫) من النيوكليونات وإن كتلة النيوكليون مقاربة إلى كتلة‬A( ‫إن النواة تحتوي على‬ :‫سوف تساوي‬ 𝑚= 𝐴 × 𝑢 ‫للحفظ‬ Note : The nucleus is often described as heavy, medium or light according to mass number (or mass) whether big, medium or small respectively. ‫ أو خفيفية وذلك تبعا لكون عددها الكتلي ) أو كتلتها ( كبير أو متوسط أو صغير على‬, ‫عادة ماتوصف النواة بكونها ثيلة أو متوسطة‬.‫التوالي‬ 4  Note: Nuclear physics scientists often express mass with equivalent energy. Equivalent energy of mass can be found by using Einstein’s relation of equivalent mass (m) with energy (E) as the relation: 𝐸 = 𝑚 𝐶2 c: Speed of light in vacuum which equals (3 × 10 8 𝑚/𝑠). ‫ إذ يمكن إيجاد الطاقة المكافئة للكتلة وذلك بإستعمال عالقة‬. ‫كثيرا ما يعّبر العلماء الفيزياء النووية عن الكتلة بما يكافئها من طاقة‬ :‫إينشتين المعروفة في تكافؤ الكتلة مع الطاقة وبحسب العالقة‬ i.e. The relation between mass and energy is equivalent. Mass can be converted into energy and inverse is true..‫ وإن الكتلة يمكن أن تتحول إلى طاقة والعكس صحيح‬،‫أي إن عالقة الكتلة والطاقة هي عالقة تكافؤ‬ The equivalent energy of mass (1u) is found equal to (931MeV). According to relation of energy- mass equivalence, the following relation can be expressed as: 𝑀𝑒𝑉 𝐶 2 = 931 ( ) ‫للحفظ‬ 𝑢.) 𝟗𝟑𝟏 𝑴𝒆𝑽(‫) قد وجد إنها تساوي تقريبا‬U1(‫إن مقدار الطاقة المكافئة لكتلة مقدارها‬ 𝑀𝑒𝑉 𝐶 = 931 ( ) :‫ أي إنه يمكن كتابة العالقة التالية وفقا لعالقة الطاقة المكافئة للكتلة‬ 2 𝑢 Since neutron charge is zero, the nucleus charge equals total of proton charges. So, the nucleus of any atom is positive and its amount of charge (q) equals (+Ze) whereby (Z) is atomic number of the nucleus and (+e) is the proton charge = (1.6 × 10−19 𝐶).i. e: 𝑞 = 𝑍𝑒 5  198 Ex.1. Find the amount of charge for gold nucleus ( 79𝐴𝑢 ), if you know that proton charge is (1.6 × 10−19 𝐶). Ans/ We have the relation: 𝑞 = 𝑍𝑒 and for the nucleus 198 79𝐴𝑢 ); so (𝑍 = 79) Substituting in previous relation, we have: ∴ 𝒒 = 𝟕𝟗 × 𝟏. 𝟔 × 𝟏𝟎−𝟏𝟗 ∴ 𝒒 = 𝟏𝟐𝟔. 𝟒 × 𝟏𝟎−𝟏𝟗 𝑪 How can radius and volume of nuclear be known? Ans/ first attempt to estimate volume of nucleus and radius was done by Rutherford by alpha particle scattering of gold atom nuclei and similar experiments, that most nuclei atoms are spherical (in this chapter, we will assume that the shape is spherical). Nucleus radius (R) is directly proportional to cubic root of mass number (A). i.e: given by the following relationship: 1 𝑅 = 𝑟° 𝐴 3 ‫ وذلك عن طريق إستطارة جسيمات ألفا من نوى ذرات‬،)‫إن أول تجربة لتقدير حجم النواة ونصف قطرها كانت قد أجريت من قبل العالم (رذرفورد‬.‫ فقد توصّل من هذه التجربة والعديد من التجارب األخرى بعدها إلى إن معظم نوى الذرات هي ذرات شكل كروي تقريبا‬.‫الذهب‬ 6 (r○ ) : Is a constant amount called radius constant and equals (1.2 × 10−15 𝑚)..(𝟏. 𝟐 × 𝟏𝟎−𝟏𝟓 𝒎). ‫ هو مقدار ثابت يسمى ثابت نصف القطري ويساوي‬: r○ This relation can be expressed in meter unit (m) and (F) fermi unit, as follows: Nuclear 𝟏 𝟏. 𝟐 × 𝟏𝟎−𝟏𝟓 𝑨 (𝒎) 𝑹= { 𝟑 𝟏 𝟏. 𝟐 𝑨 𝟑 (𝑭) Nuclear dimensions range around (10−15 𝑚 ), which has very tiny dimensions. Thus, it is important to use a length unit called Femtometers or Fermi (F), thus: 1 𝐹 = 10−15 𝑚 Ex.2. Find radius of copper nucleus ( 64 29𝐶𝑢 ) in: a. meter (m), b. Fermi (F). Ans/ 1 1.2 × 10−15 A 3 64 29𝐶𝑢 𝐴 = 64 1 −15 3 1.2 × 10 (64) 3 = 1.2 × 10−15 √64 ∴ 𝑅 = 1.2 × 10−15 × 4 = 4.8 × 10−15 𝑚 𝐹 = 10−15 𝑚 ∴ 𝑹 = 𝟒. 𝟖 (𝑭) [Also, we can find nucleus radius by Fermi (F), by using the relation 𝟏 (𝑹 = 𝟏. 𝟐 𝑨 ), check it yourself and compart the result of your calculation 𝟑 with the result of the step (b) for this example]. 7 Volume of the nucleus (V): can be found by applying the following relation (assuming that shape of nucleus is spherical shape with a radius (R)): 𝟒 𝟏 𝑽= 𝝅𝑹𝟑 (‫𝒓 = 𝑹( )حفظ‬° 𝑨 ) 𝟑 𝟑 𝟒 𝑽= 𝝅 𝒓° 𝟑 𝑨 𝟑 𝝆 𝐦′ This relation is applied (𝛒 = ), (𝐦′ ): represents approximate mass of 𝐕 nucleus (A×u). 𝐦′. ) 𝑨 × 𝒖 ( ‫ كتلة النواة التقريبية‬: 𝒎′ : ‫= 𝛒) حيث إن‬ ( :‫ نطبق العالقة‬،‫أليجاد كتلة النواة التقريبية‬ 𝐕 𝑲𝒈 Approximate density of nucleus (𝟐. 𝟑 × 𝟏𝟎𝟏𝟕 ). 𝒎𝟑 𝑲𝒈. )𝟐. 𝟑 × 𝟏𝟎𝟏𝟕 𝒎𝟑 ( ‫لقد وجد أن كثافة النواة التقريبيـة تساوي حوالي‬ 𝑲𝒈 Approximate density of nucleus (𝟐. 𝟑 × 𝟏𝟎𝟏𝟕 ) is and compared to 𝒎𝟑 𝑲𝒈 water density (𝟏𝟑 ), the nucleus density is around (𝟐. 𝟑 × 𝟏𝟎𝟏𝟒 ) times 𝒎𝟑 the density of water, and it is a very huge amount. 𝑲𝒈 ّ )𝟐. 𝟑 × 𝟏𝟎𝟏𝟒 ( ً ‫𝟑𝟏) فإن كثافة النواة تساوي تقريبا‬ ‫مرة بقدر كثافة‬ 𝒎𝟑 ( ‫عند مقارنـة كثافة النواة مع كثافة الماء التي تساوي‬ : ‫الماء أي‬ ρ‫ = نواة‬2.3 × 1014 ρ‫ماء‬ (‫) للـــــحـــــفـــظ‬ 8 Q/ Since the nucleus contains neutral charge neutrons and positively charged protons (except for normal hydrogen nucleus and its isotopes which contain one proton only). Why these protons do not repulse despite similar charges? If so, will the nucleus disassemble? If this is not the case, how the nucleus maintains stability and bondage? What binds the nucleons together? Ans/ The answer is: there must be a nuclear attraction force that binds the nucleons of the nucleus. This strong nuclear force is one of the four basic forces in nature; the nuclear force is the strongest in nature. From the properties of nuclear force is short-range and does not depend on charge. ‫طاقة الربط ( األرتباط ) النوويــة‬ It is the released energy when an appropriate number of protons and neutrons gather to form a nucleus (or energy required to disassemble the nucleus into protons and neutrons). ‫هي الطاقة الالزمـة لتفكيك‬ ‫يـُــقـصد بها الطاقة المتحررة عند جمع أعداد مناسبة من البروتونات والنيوترونات لتشكيل نواة معينـة أو‬. ‫النواة إلى مكوناتها من البروتونات والنيوترونات‬ Mass of nucleus does not equal its component protons and neutrons when separated its always less than the sum of the individual masses of protons and neutrons ‫ فهي دائما أقل من مجموع كُتل‬, ‫أن كتلة النواة ال تساوي مجموع كتل مكوناتها من البروتونات والنوترونات عندما تكون منفصلة‬. ‫مكوناتها من البروتونات والنيوترونات عندما تكون منفصلة‬ 9 This difference in mass (Δm) is called mass defect, and it is equivalent to nuclear binding energy (Eb) according to Einstein’s (mass-energy) equivalence relation: ‫ ووجد أنه يكافئ طاقة الربط النووية ( 𝐛𝐄 ) حسب عالقة إينشتين في تـــكافــؤ‬. ) ‫إن هذا الفرق في الكتلة ( 𝒎∆) يسمى عادة ( النقص الــكـُـــتـــَـلي‬ : ‫ أي إن‬. ) ‫( الكتلة والطاقة‬ 𝐄𝐛 = ∆m C² ‫للـــحـــفـــظ‬ Practically, it is better to use atom masses instead of nuclei masses, the mass defect (Δm) is expressed as: ∆𝐦 = (𝐙𝐌𝐇 + 𝐍𝐦𝐧 − 𝐌) ‫ وعندما يكون النقص الكتلي (𝒎∆) في هذه الحالـــة‬. ‫من الناحيـة العمليـة فإنه يكون أكثر مناسبا إستعمال كتل الذرات بدال من كتل النوى‬ : The nuclear binding energy of the nucleus will be: ∆𝐦 = (𝐙𝐌𝐇 + 𝐍𝐦𝐧 − 𝐌)𝐂² (‫)للـــحــفـــظ‬ ← (𝐌𝐞𝐕) MH: mass of Hydrogen atom. ‫ كتلة ذرة الهيدروجين‬: 𝐌𝐇 M: mass of specific atom. ‫ كتلة الذرة المعنيـــة‬: M Z: Atomic number. ‫ العدد الذري‬: Z N: Neutron number ) ‫ العدد النيوتروني ( أو عدد النيوترونات‬: N ‫ كتلة النيوترون‬: 𝐦𝐧 mn: Neutron mass. Note : Since atomic masses are measured by (u) unit, the nuclear binding 𝐌𝐞𝐕 energy unit (Eb) is measured by (MeV), thus 𝐂² = 𝟗𝟑𝟏 𝐮 10  Average nuclear binding energy 𝐄𝐛′ Quotient of nuclear binding energy (𝐸𝑏 ) by mass number (A) and expressed as follows: : ‫ ) ويعطى بالعالقة التاليـة‬A ( ‫هي حاصل قسمـة طاقة الربط النووية على العدد الكتلي‬ 𝐸𝑏 𝐸𝑏 ′ = ‫للحفظ‬ 𝑨 Note : medium nuclei are usually the most stable (because they have the larger values of (𝐄𝐛′ ) like Iron nucleus ( 𝟓𝟔 𝟐𝟔 𝐅𝐞) ). Light and heavy nuclei can be more stable if a nuclear reaction can change them into medium nuclei. ‫ ولكي تكّون ان تصبح‬،‫ أما النوى الخفيفة والنوى الثقيلة تكون غير مستقرة‬.‫تكون النوى المتوسطة عادة هي األكثر إستقرارا‬.‫أكثر استقرارا إذا وجد تفاعال نوويا معينا يستطيع أن ينقلها الى منطقة النوى المتوسطة‬ In other words, under convenient circumstances, heavy nuclei become more stable if fission to medium nuclei and vice versa.. ‫ وبالعكس‬. ‫فإذا توفرت ظروف مناسبـة فإن النوى الثقيلـة اذا إنــــشـــطـــرت إلى نوى متوسطـة فإنها تصبح أكثر استقرارا‬ If light nuclei fused to form heavier nuclei, they become more stable too. In both cases, energy will be released.. ‫أي إذا إندمجت النوى الخفيفة لتكوين نوى أثقل فإنها تصبح أكثر إستقرارا أيضا‬. ‫في كلتا الحالتين السابقتين تتحرر الطاقـــة‬ 11  𝟏𝟒 𝟕 𝐍 𝟏𝟒 𝟕 𝐍 Ans/ 𝐄𝐛 = (𝐙𝐌𝐇 + 𝐍𝐦𝐧 − 𝐌 )𝐂² 𝐙 = 𝟕 , 𝐀 = 𝟏𝟒 𝐀=𝐙+𝐍 𝐍 = 𝐀 − 𝐙 = 𝟏𝟒 − 𝟕 = 𝟕 𝐄𝐛 = [𝟕 × 𝟏. 𝟎𝟎𝟕𝟖𝟐𝟓 + 𝟕 × 𝟏. 𝟎𝟎𝟖𝟔𝟔𝟓 − 𝟏𝟒. 𝟎𝟎𝟑𝟎𝟕𝟒] × 𝟗𝟑𝟏 𝐄𝐛 = 𝟎. 𝟏𝟏𝟐𝟑𝟓𝟔 × 𝟗𝟑𝟏 = 𝟏𝟎𝟒. 𝟔𝟎𝟑 𝐌𝐞𝐕 Δ 𝐄𝐛 𝐄𝐛′ = 𝐀 𝟏𝟎𝟒.𝟔𝟎𝟑 𝐌𝐞𝐕 𝐄𝐛′ = = 𝟕. 𝟒𝟕𝟐 𝟏𝟒 𝐧𝐮𝐜𝐥𝐞𝐨𝐧 𝐄𝐛′ = 𝟕. 𝟒𝟕𝟐 𝐌𝐞𝐕 𝑶𝒓 12  ‫‪1-‬‬ ‫‪Alpha decay‬‬ ‫‪2- Beta decay‬‬ ‫‪3- Gamma decay‬‬ ‫‪Q/‬‬ ‫يحدث عندما تكون كتلة النواة وحجمها كبيرين نسبيا‪ ،‬فـتنبعث جسيمـة (دقيقة) ألفا من هذه النوى مما يساعدها على استقراريه أكبر‬ ‫عن طريق تقليص حجمها وكتلتها‪.‬‬ ‫?‪Q/ What does mean by Alpha particle‬‬ ‫‪Ans/ alpha particle is helium nucleus, which contains two protons and neutrons‬‬ ‫‪( He 24 ) or (a). it has a positive charge (+2e).‬‬ ‫س ‪ /‬ما هي جسيمـة ألفـــــا؟‬ ‫الجواب ‪ /‬هي نواة ذرة الهيليــوم وتتكون من بروتونين ونيوترونين وتمثل بالرمز ( 𝐞𝐇 𝟐𝟒 ) أو (∝)‪ ،‬وهي ذات شحنـة موجبـة تساوي‬ ‫( ‪. ) +2e‬‬ ‫‪ Note: - In Alpha decay, (as is the case in other radioactive decay) the‬‬ ‫‪original nucleus before decay is usually called parent nucleus, the‬‬ ‫‪produced nucleus after decay is called daughter nucleus.‬‬ ‫في انحالل الفا‪ ،‬يطلق على النواة األصليـة قبل االنحالل بالنواة األم‪.‬والنواة الناتجـة بعد االنحالل بالنواة الوليدة (أو النواة‬ ‫ ‬ ‫الــبـــنــت)‪.‬‬ ‫‪13‬‬ Q/ write the equation shows a nuclear equation for a nucleus in alpha decay? Ans/ Q/ What does alpha decay do to mass number and atomic number of parent nucleus? Ans/ The mass number decreases by four, and the atomic number decreases by two (see previous nuclear equation)..‫ينقص العدد الكتلي بمقدار أربــــعـــــة وينقص العدد الذري بمقدار إثـــــــنــــــيـــــــن للنواة األم‬ when the atomic number changes, nucleus of the element also changes to a nucleus of another element.. ) ‫نواة العنصر تتحول إلى نواة عنصر آخـر ( عندما ينقص العدد الذري للنواة األم‬ This is true of other types of decay and nuclear reaction.. ‫إن هذا يصح على جميع أنواع األنحالالت والتفاعالت النووية األخرى‬ Q/ How can we find decay energy for a nucleus in alpha decay? Ans/ Assuming that the mass of parent nucleus is (𝑀𝑝 ) (initially at rest), mass of the daughter nucleus (𝑀𝑑 ) and alpha particle (𝑀α ), then, alpha decay energy (𝑄α ) is expressed as: 𝐐∝ = [𝐌𝐩 − 𝐌𝐝 − 𝐌∝ ]𝐂² Note: - When atomic mass measured by (u) unit, scince (𝐂𝟐 = 𝟗𝟑𝟏 𝐌𝐞𝐕 𝐮 ) then the unit of (𝑄α ), in this case is (MeV). 14 Q/ What is the condition for spontaneously decay of a nucleus by alpha decay? Ans/ The necessary condition for a nucleus spontaneously decay by (alpha decay) is that the value of energy decay of (Qα) must be positive i.e. (𝑄α > 0). ‫ ما الشرط الالزم لنواة تنحل تلقائيا بوساطة إنحالل ألــــفــــا ؟‬/ ‫س‬ ) 𝐐∝ > 𝟎 ( ‫ أي عندما‬. ‫ الشرط هو أن تكون قيمـة طاقة األنحالل ( ∝𝐐 ) مـــــــوجـــــــبـــــــــة‬/ ‫الجواب‬ Note:- It is worth noting that alpha particle ( with less mass compared to daughter nucleus) will have speed and kinetic energy larger than that of the daughter nucleus according to law of (mass-energy) conservation, and law of linear momentum conservation. ‫ سوف تمتلك سرعة وطاقة حركيـة( ( أكـــبــــر ) من‬, ‫ إن جسيمـة ألـــفا ( ذات الكتلة األقل مقارنـة بكتلة النواة الوليدة‬: ‫مالحـــــظـــــة‬. ‫ وذلك بحسب قانون حفظ الطاقـة – كتلـة ) وقانون حفظ الزخم الخطي‬, ‫السرعـة والطاقة الحركيـة للنواة الوليدة‬ 15 Ex.4. Prove that Radium nucleus( 𝟐𝟐𝟔 𝟖𝟖 𝐑𝐚) achieves spontaneous decay condition to Radon nucleus ( 𝟐𝟐𝟐 𝟖𝟔 𝐑𝐧) by means of alpha decay. Write the nuclear equation of decay, if the atomic masses of each: 𝟐𝟐𝟔 𝟖𝟖 𝐑𝐚 = 𝟐𝟐 ,. 𝟎𝟐𝟓𝟒𝟎𝟔 (𝐮) 𝟐𝟐𝟐 𝟖𝟔 𝐑𝐧 = 𝟐𝟐𝟐. 𝟎. 𝟎𝟏𝟕𝟓𝟕𝟒 (𝐮) 𝟒 𝟐 𝐇𝐞 = 𝟒. 𝟎𝟎𝟐𝟔𝟎𝟑 (𝐮) Ans/ 𝟐𝟐𝟔 𝟐𝟐𝟐 𝟒 𝐑𝐚 𝟖𝟔 𝐑𝐧 𝟐 𝐇𝐞 𝟖𝟖 ⟶ + Parent nucleus Daughter nucleus α − particle 𝑄α 𝑄α = [𝑀𝑝 − 𝑀𝑑 − 𝑀𝛼 ]𝐶 2 𝐌𝐞𝐕 𝐂 𝟐 = 𝟗𝟑𝟏 𝐮 𝑄α = [𝑀𝑝 − 𝑀𝑑 − 𝑀𝛼 ] × 931 (𝑀𝑒𝑉 ) ∴ 𝐐∝ = [𝟐𝟐𝟔. 𝟎𝟐𝟓𝟒𝟎𝟔 − 𝟐𝟐𝟐. 𝟎𝟏𝟕𝟓𝟕𝟒 − 𝟒. 𝟎𝟎𝟐𝟔𝟎𝟑] × 𝟗𝟑𝟏 ∴ 𝐐∝ = 𝟓. 𝟐𝟐𝟗 × 𝟏𝟎−𝟑 × 𝟗𝟑𝟏 = 𝟒. 𝟖𝟔𝟖 (𝐌𝐞𝐕) α α ) 𝑄α = 𝟎 ( ‫بما إن قيمـة ( ∝𝐐) هي قيمـة موجبـة أي إن‬ ∴ 𝑆𝑝𝑜𝑛𝑡𝑎𝑛𝑒𝑜𝑢𝑠 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑦 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑠 𝑎𝑐ℎ𝑖𝑒𝑣𝑒𝑑.. ‫ قد تحقق شرط األنحالل التلقائي‬-: 16  ‫ً‬ ‫ثــــانـــيا‪ :‬إنــحــالل بــيــتـــــا‬ ‫‪It is the second spontaneous radioactive decay through which some nuclei can‬‬ ‫‪reach stability. There are three ways where some nuclei can be spontaneously‬‬ ‫‪by beta decayed:‬‬ ‫هو االنحالل االشعاعي الثاني التلقائي والذي من خالله تستطيع بعض النوى الوصول الى حالة أكثر أستقرارا ‪.‬‬ ‫‪ There are three ways where some nuclei can be spontaneously by beta‬‬ ‫‪decayed:‬‬ ‫‪1. Emission of negative beta particle (or electron) (β-) or ( e 10- ), it is a‬‬ ‫‪negative charge (-e), this process is called negative beta decay.‬‬ ‫إنبعاث جسيمـة ( دقيقة ) بيتا السالبـة ( او األلكترون ) ويرمز لها بالرمز ( ‪ ) 𝐁−‬أو ( 𝐞𝟎𝟏‪ ) −‬وهي ذات شحنـة سالبة ( ‪ ) -e‬وتسمى هذه العمليـة‬ ‫(انحالل بيتا السالبـة) ‪.‬‬ ‫‪2.‬‬ ‫‪β‬‬ ‫إنبعاث جسيمة (دقيقة) بيتا الموجبـة ( أو البوزترون ) ويرمز لها بالرمز ( 𝐁‪ )+‬أو ( 𝐞𝟎𝟏‪ ) +‬وهي ذات شحنة موجبة (‪ )+e‬وتسمى هذه العملية‬ ‫(إنحالل بيتا الموجبـة ) ‪.‬‬ ‫‪3.‬‬ ‫أســــر ( إقـــتـــنــــاص ) النواة ألحد األلكترونات الذرية المدارية الداخليـة ‪ ,‬وتسمى هذه العملية بـ ( األســـر األلكتروني ) ‪.‬‬ ‫‪17‬‬ Positron : Is a particle which has all properties of electron, but, it has positive charge, (it is called anti-electron).. ) ‫ كما يطلق عليه أيضا ( مضاد اإللكترون‬, ‫ هو عبارة عن جسيم يمتلك جميع صفات االلكترون إال إن شحنته هي موجبـة‬: ‫البــوزترون‬ Positive Beta decay is accompanied by emission of a particle called Neutrino (its charge and rest mass is zero) ( 00𝑣), or ( 𝑣). The atomic number and mass number are zero. While negative beta decay is accompanied by emission of a particle called 0 antineutrino particle ( 0𝑣 ), or ( 𝑣 ).The atomic number and mass number of this particle is zero too, (see nuclear decay equations). Q/ If the nucleus has no electrons or positrons in the first place, how can it emit electron Where did it come from? ‫ فكيف يمكن للنواة أن تبعث ألكترونا أو بوزترونا في هذا النوع من األنحالل‬،‫ إذا كانت النواة ال تحتوي أساسا على األلكترونات أو البوزترونات‬/ ‫س‬ ‫؟‬ Ans/ When the nucleus emits the electron, it results from decay of a neutrons in the nucleus into proton, electron and anti-neutrino, this decay is expressed by the following nuclear equation: ‫ ويعبر عن هذا االنحالل‬. ‫ عندما تبعث النواة األلكترون فهو نتاج إنحالل أحد نيوترونات النواة الى بروتون والكترون ومضاد النيوترينو‬/ ‫الجواب‬ : ‫بالمعادلة النووية اآلتيــة‬ 𝟏 𝟎 𝟎 𝟎 𝐧 − 𝟏𝟏 𝐏 + 𝐁 − + 𝟎 𝛎̅ , (𝐁 − = −𝟏 𝐞) This decay happens because the ratio of neutrons to proton in the nuclear is larger than required to achieve stability.. ‫ويحدث هذا االنحالل بسبب ان نسبة عدد النيوترونات الى عدد البروتونات النواة هي أكبر من النسبة الالزمة ألستقرارها‬ 18 Q/ If the nucleus has no electrons or positrons in the first place, how can it emit positron, where did it come from? Ans/ It results from decay of a proton in the nucleus in to neutron, positron and neutrino, this decay is expressed by the following nuclear equation: ‫ ويعبر عن هذا األنحالل بالمعادلة‬, ‫أما عندما تبعث النواة البوزترون فهو نتاج أحد بروتونات النواة الى نيوترون وبوزترون ونيوترينو‬ 𝟏 𝟏𝐏 → 𝟏𝟎𝐧 + 𝐁 + + 𝟎𝟎𝛎 , (𝐁 + = 𝟎 +𝟏𝐞 ) This decay happens because the ratio of neutrons to protons in the nucleus is smaller than required to achieve stability. ‫ويحدث هذا االنحالل بسبب أن نسبـة عدد نيوترونات الى عدد بروتونات النواة هي أصغر‬ ‫بعض األمثلة التي توضح فيها نوى تنحل تلقائيا بوساطـة إنحالل بيتا‬ 𝟔𝟒 𝟔𝟒 𝟐𝟗𝐂𝐮 → 𝟑𝟎𝐙𝐧 + 𝐁− + 𝛎̅ ( Negative beta decay ) 𝟏𝟑 𝟏𝟑 𝟕𝐍 → 𝟔𝐂 + 𝐁+ + 𝛎 ( Positive beta decay ) 𝟒𝟏 𝟎 𝟒𝟏 𝟐𝟎𝐂𝐚 + −𝟏𝐞 → 𝟏𝟗𝐊 + 𝛎 (Electron capture ) 19  ً ‫ إحنالل كـــامـــا‬:‫ثالثا‬ Q/ Some nuclei are often in an excited state, i.e. they have extra energy after undergoing alpha or beta decay, how can such nuclei reach stability spontaneously? Ans/ Such nuclei can reach stability by Gamma decay (the third spontaneous radioactive decay) and reach more stability by emitting gamma ray. If the nucleus moved from a high-energy level to a low-energy level, gamma ray (Photon) will emit. The photon energy equals the difference between levels. ،‫ أي لديها فائض من الطاقة وذلك بعد معاناتها إنحالل ألفا أو انحالل بيتا‬،‫يحدث لبعض النوى عندما تكون في حالة (أو مستو) إشارة‬ ‫ فلو ان النواة انتقلت من مستو طاقة عالي الى مستوى طاقة‬.‫بحيث تصل هذه النوى الى حالة أكثر استقرارا وذلك بانبعاث أشعة كاما‬.‫ وتكون طاقة الفوتون تساوي فرق الطاقة بين المستويين‬،‫منخفض‬ Is electromagnetic ray (photons) with high energy and frequency. Its rest mass and charge is zero. They are denoted by the symbol (γ) or ( 𝟎𝟎𝛄), because the atomic number and mass number is zero..)‫هي أشعة كهرومغناطيسية (فوتونات‬.‫ذات طاقة عالية أو تردد عا ٍل‬.‫كتلتها السكونيـة وشحنتها تساوي صفرا‬.‫العدد الذري والعدد الكتلي لها يساويان صفرا‬.) 𝟎𝟎𝛄 ( ‫يرمز لها بالرمز ( 𝛄 ) أو‬ 20  𝟐𝟒𝟎 𝟐𝟒𝟎 𝟎 𝟗𝟒 𝐏𝐮∗ → 𝟗𝟒 𝐏𝐮 + 𝟎𝛄 As it is shown previously in nuclear decay equation for Plutonium excited nucleus ( 𝟐𝟒𝟎 ∗ 𝟗𝟒 𝐏𝐮 )), the mass number and atomic number remain constant in gamma decay.. ) ً ‫إن العدد الكتلي والعدد الذري للنواة المتهيجـة التي تعاني إنحالل كاما ( يبقى ثابتا‬ Note: The relation of gamma energy or photon energy (E) in frequency (f) is as follows: 𝐄=𝐡𝐟 h: Planck’s constant equals: ( 6.63 × 10−34 𝐽. 𝑠 ) 𝐶 𝑓 = , Whereby (m) is photon wavelength, and (c) is speed of light in vacuum. 𝜆 21  ‫التفاعالت النوويـــــة‬ ‫‪Q/ can the structure of the nucleus be changed when thrown by nuclear particles‬‬ ‫?‪with particular energy‬‬ ‫‪Ans/ Yes. Rutherford was the first to prove that an induced nuclear reaction is‬‬ ‫‪possible, And as the nuclear reaction below:‬‬ ‫يمكن تغير تركيب النواة عند قذفها بجسيمات نووية ذات طاقة معينة‪ ،‬وأول من برهن على حدوث هذا التفاعل النووي المحتث‬ ‫(االصطناعي) العالم ( رذرفورد ) ‪.‬وبحسب معادلة التفاعل النووي اآلتيـة‪:‬‬ ‫𝟒‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫𝟕𝟏‬ ‫𝟏‬ ‫𝟐‬ ‫𝐞𝐇‬ ‫‪+‬‬ ‫𝟕‬ ‫→ 𝐍‬ ‫𝟖‬ ‫𝐎‬ ‫‪+‬‬ ‫𝐇 𝟏‬ ‫جسيمـة ألــفا‬ ‫نواة النيتروجين‬ ‫نواة األوكسجين‬ ‫بروتون‬ ‫?‪Q/ What does mean by the nuclear reaction‬‬ ‫س ‪ /‬ما المقصود بـ ‪ :‬التفاعل النووي المحتث ؟‬ ‫الجواب ‪ /‬هو قذف النواة الهدف بجسيمات نووية ذات طاقة معنيـة بحيث يتغير تركيب وخصائص النواة ‪.‬‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫𝐍𝟕‬ ‫𝟏‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫𝟏‬ ‫𝟎‬ ‫𝐧‬ ‫𝐂𝟔‬ ‫𝐇𝟏‬ ‫𝟏‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫𝟏‬ ‫𝟎‬ ‫‪𝐧 +‬‬ ‫𝐍𝟕‬ ‫→‬ ‫𝐂𝟔‬ ‫‪+‬‬ ‫𝟏‬ ‫𝐇‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫𝟏‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫)‬ ‫𝐂𝟔‬ ‫) فإنه يمكن الحصول على نواة الكاربون (‬ ‫𝟎‬ ‫) بوساطة جسيم النيوترون ( 𝐧‬ ‫𝐍𝟕‬ ‫مثال ذلك ‪ /‬عند قذف ( قصف ) نواة النيتروجين (‬ ‫وجسيم البروتون ( 𝐇 𝟏𝟏 ) ‪.‬‬ ‫𝟏‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫𝟒𝟏‬ ‫𝟏‬ ‫𝟎‬ ‫‪𝐧 +‬‬ ‫𝐍𝟕‬ ‫→‬ ‫‪𝟔𝐂+‬‬ ‫𝐇𝟏‬ ‫‪22‬‬ ‫‪ Note: In case of nuclear equations, sum of atomic numbers and mass‬‬ ‫‪numbers must be equal at both sides of the nuclear equation, i.e. that is‬‬ ‫‪nuclear equation must be balanced, as shown, for example in the previous‬‬ ‫‪nuclear reaction equation.‬‬ ‫في المعادالت النووية ‪ ,‬كيف تكون متوازنـة ؟‬ ‫الجواب ‪ /‬تكون موزونة عندما يكون ‪:‬‬ ‫مجموع األعداد الذرية = مجموع األعداد الكتلية‬ ‫على طرفي المعادلة النووية ‪.‬‬ ‫س ‪ /‬ماهي القوانين التي يجب ان تتحقق في التفاعالت النووية؟ إذكرها ‪.‬‬ ‫الجواب ‪/‬‬ ‫قانون حفظ (الطاقة – الكتلة ) ‪.‬‬ ‫‪-1‬‬ ‫قانون حفظ الزخم الخطي‪.‬‬ ‫‪-2‬‬ ‫الزاوي ‪.‬‬ ‫ّ‬ ‫قانون حفظ الزخم‬ ‫‪-3‬‬ ‫قانون حفظ الشحنـة الكهربائيـة ( أو قانون حفظ العدد الذري ) ‪.‬‬ ‫‪-4‬‬ ‫قانون حفظ عدد النيوكليونات ( أو قانون حفظ العدد الكتلي ) ‪.‬‬ ‫‪-5‬‬ ‫‪23‬‬ 24  ‫‪Nuclear reaction energy‬‬ ‫طاقة التفاعل النووي‬ ‫لنفترض أن تفاعال نوويا تقذف فيه نواة الهدف ( ‪ ( ) x‬عادة ساكنة إبتدائيا ) والتي كتلتها ( 𝐱𝐦 ) والجسيم ( ‪ ) b‬الذي كتلته ( 𝐚𝐌 ) ‪ ,‬عندها‬ ‫يمكن التعبير عن هذا التفاعل النووي بالمعادلة اآلتيـة ‪:‬‬ ‫‪a+X →Y+b‬‬ ‫?‪Q/ How The value of nuclear reaction energy (Q) can be found‬‬ ‫‪Ans/ The value of nuclear reaction energy (Q) can be found from the relation:‬‬ ‫س ‪ /‬كيف يمكنك حساب قيمـة طاقة التفاعل النووي ( ‪ )Q‬للتفاعل النووي أعاله ؟‬ ‫الجواب ‪ /‬يمكن حساب طاقة تفاعل نووي ( ‪ ) Q‬من العالقة التاليـــة ‪:‬‬ ‫‪𝐐 = [(𝐌𝐚 + 𝐌𝐱 ) − ( 𝐌𝐲 + 𝐌𝐛 )]𝐂²‬‬ ‫للحــــــفـــــظ‬ ‫‪Or‬‬ ‫‪𝐐 = [(𝐌𝐚 + 𝐌𝐱 ) − ( 𝐌𝐲 − 𝐌𝐛 )]𝐂²‬‬ ‫ ‬ ‫𝑣𝑒𝑀‬ ‫‪𝐶 2 = 931‬‬ ‫𝑢‬ ‫ مالحـــظـــة ‪ :‬تقاس الكتل الذريـة بوحدة ( ‪. ) u‬‬ ‫𝐕𝐞𝐌‬ ‫𝟏𝟑𝟗‬ ‫𝐮‬ ‫‪𝐂²‬‬ ‫ ‬ ‫𝐐 ∶ بوحدة)𝐕𝐞𝐌(‬ ‫ ‬ ‫‪25‬‬  ‫ ‬ ‫ 𝐐 ) ‪ ,‬فإن التفاعل النووي يسمى عندئ ٍذ بـ ( التفاعل المحرر للطاقـة ) ‪.‬‬ ‫‪ -2‬أما إذا كانت قيمـة ( ‪ ) Q‬سالبـة ‪ , )𝐐 < 𝟎 ( ,‬فإن التفاعل النووي يسمى في هذ ِه الحالة بـ ( التفاعل المـاص للطـاقـة ) ‪.‬‬ ‫?‪Q/ Why Neutrons are regarded as important projected of nuclear reaction‬‬ ‫‪Ans/ Because neutron charge is zero, therefore it can penetrate into the nucleus‬‬ ‫‪easily (easier than alpha particles or protons) because there is no repulsive‬‬ ‫‪electrical coulomb between the neutron and the nucleus.‬‬ ‫علل ‪ /‬ت ُعــد النيوترونات قذائف مهمة في التفاعالت النوويـة ؟‬ ‫الجواب ‪/‬‬ ‫وذلك ألن شحنـة النيوترون تساوي صفرا وهو بذلك يستطيع أن يدخل إلى النواة بسهولة جدا ( أكثر بكثير من جسيمات ألفا أو البروتونات مثال )‬ ‫وذلك لعدم وجود قوة كولوم الكهربائيـة التنافريـة بينهُ وبين النواة ‪.‬‬ ‫‪26‬‬ Ex.5. 𝟒 𝟏𝟒 𝟏𝟕 𝟐 𝐇𝐞 + 𝟕𝐍 → 𝟖 𝐎 + 𝟏𝟏𝐇 𝟏𝟕 𝟖𝐎 = 𝟏𝟔. 𝟗𝟗𝟗𝟏𝟑𝟐 (𝐮) 𝟏 𝟏𝐇 = 𝟏. 𝟎𝟎𝟕𝟖𝟐𝟓 (𝐮) 𝟒 𝟐 𝐇𝐞 = 𝟒. 𝟎𝟎𝟐𝟔𝟎𝟑 (𝐮) 𝟏𝟒 𝟕𝐍 = 𝟏𝟒. 𝟎𝟎𝟑𝟎𝟕𝟒 (𝐮) Ans/ 𝐐 = [𝐌𝐚 + 𝐌𝐱 − 𝐌𝐲 − 𝐌𝐛 ] 𝐂² 𝑀𝑒𝑉 𝑐 2 = 931 𝑢 ∴ 𝑸 = [𝑴𝒂 + 𝑴𝑿 − 𝑴𝒀 − 𝑴𝒃 ] × 𝟗𝟑𝟏(𝑴𝒆𝑽) 𝐐 = [𝟒. 𝟎𝟎𝟐𝟔𝟎𝟑 + 𝟏𝟒. 𝟎𝟎𝟑𝟎𝟕𝟒 − 𝟏𝟔. 𝟗𝟗𝟗𝟏𝟑𝟐 − 𝟏. 𝟎𝟎𝟕𝟖𝟐𝟓] × 𝟗𝟑𝟏 (𝐌𝐞𝐕) 𝐐 = −𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟐𝟖𝟎 × 𝟗𝟑𝟏 ∴ 𝐐 = −𝟏. 𝟏𝟗𝟐 (𝐌𝐞𝐕) ∴ 27  ‫االنشطار النووي‬ ‫‪Q/‬‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫𝐔‬ ‫س ‪ /‬ما المقصود بـ ( األنشطار النووي ) ؟ وما هي نتائجـة ؟‬ ‫) إلى نواتين متوسطتين بالكتلة وذلك عن‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫𝐔 𝟐𝟗‬ ‫الجواب ‪ /‬األنشطار النووي ‪ -:‬هو تفاعل نووي تقسم فيه نواة ثقيلـة ( مثل نواة اليورانيوم‬ ‫طريق قصف هذ ِه النواة الثقيلة بوساطـة نيوترون بطيء ( نيوترون حراري ) ‪ ,‬وهو نيوترون ذو طاقـة صغيرة حوالي ( 𝐕𝐞 𝟓𝟐𝟎 ‪.)𝟎.‬‬ ‫ ‬ ‫‪Note: The result of nuclear fission is:‬‬ ‫نتيجة األنشطار النووي هي‪:‬‬ ‫‪ -1‬نوى جديدة مش ّعـة‬ ‫‪ -2‬عدد من النيوترونات (نموذجيا إثنان أو ثالثـة)‬ ‫‪ -3‬طاقـة هائلـة‬ ‫‪28‬‬  ‫س ‪ /‬ما مصدر الطاقة الهائلة الناتجة عن األنشطار النووي؟‬ ‫الجواب ‪ /‬تأتي هذه الطاقة الهائلة من حقيقة كون أن مجموع الكتل الناتجة هي أقل من مجموع الكتل المتفاعلة‪ ،‬إذ تتحول الكتلة المفقودة إلى طاقة‬ ‫هائلة على وفق عالقة إينشتين في تكافؤ (الكتلة – الطاقة)‪.‬‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫𝐮‬ ‫𝟓𝟑𝟐 ) ‪.‬‬ ‫مثال ذلك ‪ /‬تتحرر طاقة تقدر نحو ( 𝐕𝐞𝐌 𝟎𝟎𝟐) عند إنشطار نواة واحدة فقط من اليورانيوم ( 𝐮 𝟐𝟗‬ ‫ ‬ ‫إنتبـاه مـهـم ‪ :‬تكون الطاقة المتحررة من األنشطار النووي أكبر بكثير من الطاقة المتحررة من التفاعالت الكيميائيـة ‪.‬‬ ‫ ‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫𝐮‬ ‫𝟏‬ ‫𝐧𝟎‬ ‫𝟓𝟑𝟐 ‪+‬‬ ‫→ 𝐮 𝟐𝟗‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫→ ∗𝐮‬ ‫𝟏𝟒𝟏‬ ‫𝟔𝟓‬ ‫‪𝐁𝐚 +‬‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫‪𝟑𝟔𝐊𝐫 +‬‬ ‫𝐧 𝟎𝟏 𝟑‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫𝐮‬ ‫∗ 𝟓𝟑𝟐‬ ‫هي نواة اليورانيوم المركبة المتهيجـة ‪.‬‬ ‫𝐮 𝟐𝟗‬ ‫حيث ‪:‬‬ ‫‪29‬‬  ‫التفاعل النووي املتسلسل‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫𝐮‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫) وغيرها من النوى القابلة لالنشطار أن تستمر‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫هو التفاعل النووي الذي يجعل عملية إنشطار نوى اليورانيوم (𝐮‬ ‫‪ Note:‬‬ ‫‪ If the chained nuclear reaction is not controlled, it will cause massive‬‬ ‫‪explosion and huge amount of energy.‬‬ ‫‪ Nuclear bomb (commonly atomic bomb also called fission bomb was‬‬ ‫‪made according to this case.‬‬ ‫‪ Man managed to control chain nuclear reaction, The first controlled chain‬‬ ‫‪nuclear reaction was done by the scientist Fermi and his associates in the‬‬ ‫‪first nuclear reactor in Chicago in USA (1942).‬‬ ‫س ‪ /‬ماذا يحدث لو ‪ ( :‬لم يسيطر على التفاعل النووي المتسلسل ) ؟‬ ‫الجواب ‪/‬‬ ‫يؤدي ذلك إلى إنفجار عنيف مدّمر مع إنبعاث كمية هائلة من الطاقة ‪.‬‬ ‫قد صُنعت بناءا على هذه الحالة القنبلة النووية ( شائعا الذرية ) والتي غالبا ما تدعي أيضا بالقنبلة األنشطارية ‪.‬‬ ‫ ‬ ‫تمكن األنسان من السيطرة على التفاعل النووي المتسلسل ‪ ,‬إذ إن أول تفاعل نووي إنشطاري متسلسل مسيطر عليه من قبل األنسان‬ ‫ ‬ ‫شغِّل في مدينة شكاغو األمريكـة عام ( ‪. ) 1942‬‬ ‫كان أجراه العالم ( فيرمي ) وساعدوه ‪ ,‬وذلك في أول مفاعل نووي ُ‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫𝟗𝟑𝟐‬ ‫𝟐𝟗‬ ‫𝐮‬ ‫𝟒𝟗‬ ‫𝐮𝐏‬ ‫المفاعل النووي ‪ :‬هو عبارة عن مجموعة من المنظومات التي تسيطر على التفاعل النووي األنشطاري المتسلسل للوقود النووي ( مثل‬ ‫𝟗𝟑𝟐 ) والطاقة الناتجـة منه ‪.‬ويستفاد منه حاليا وبشكل واسع من المفاعالت النووية ولألغراض‬ ‫𝟓𝟑𝟐‬ ‫اليورانيوم 𝐮 𝟐𝟗 أو أو البلوتونيوم 𝐮𝐏 𝟒𝟗‬ ‫السلمية مثال في إنتاج الطاقة الكهربائيـة‪.‬‬ ‫‪30‬‬  ‫األندماج النووي‬ ‫هو تفاعل نووي تندمج في ِه نواتان صغيرتان (خفيفتان بالكتلة) لتكوين نواة أثقل‪ ،‬ومثال ذلك ما يحدث في الشمس من تفاعالت‪.‬‬ ‫‪ The mass of the heavier nucleus is less than sum of masses of both original‬‬ ‫‪light nuclei. Difference in mass converts to released energy according‬‬ ‫‪Einstein relation of (mass-energy) equivalence.‬‬ ‫أن كتلة النواة األثقل ( الناتجـة ) هي أقـــــل من مجموع كتلتي النواتين الخفيفتين األصليتين ‪ ,‬وإن فرق الكتلة يتحول إلى طاقة متحررة‬ ‫ ‬ ‫وذلك على وفق عالقـة إينشتين في تكافؤ ( الكتلة – الطاقة ) ‪.‬‬ ‫‪ According to this, the sun is considered a huge thermal fusion reactor to‬‬ ‫‪produce energy.‬‬ ‫ت ُعـد الشمس مفاعل نووي إندماجي حراري عمالق ألنتاج الطاقـة ‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪Q/ What are the processes and nuclear reactions to produce such huge energy‬‬ ‫?‪in the sun‬‬ ‫𝟒‬ ‫𝐞𝐇𝟐‬ ‫𝐊 𝟕𝟎𝟏 × 𝟓 ‪𝟏.‬‬ ‫س ‪ /‬ماهي العمليات والتفاعالت النووية الرئيسية ألنتاج هذه الطاقة الهائلة في الشمس ؟‬ ‫الجواب ‪ /‬ت ُعد سلسلة عمليات أو تفاعالت إندماج نوى ذرات الهيدروجين األعتيادي ( البروتونات ) لتوليد نواة ذرة الهيليوم (𝐞𝐇𝟐𝟒 ) هي العملــــــيات‬ ‫الرئيسية التي تحدث في باطــــن الشـــمس ( حيث درجة الحرارة هي حوالي 𝐊 𝟕𝟎𝟏 × 𝟓 ‪ ) 𝟏.‬وذلــك ضــمــن ســلــسلــة أو دورة تــســـمـــــــــى‬ ‫( بروتون – بروتون) ‪.‬‬ ‫‪31‬‬  Nuclear fusion releases larger energy than that of nuclear fission for equal masses of nuclear fuels. This concept is applied in militarily to produce the Hydrogen bomb, It is more fatal and lethal than the fission bomb. This kind of fusion bombs is uncontrollable reaction. ‫ إن هذ ِه الحقيقة قد طبقت‬،‫يحرر األندماج النووي طاقة أكبر من الطاقة التي يحررها األنشطار النووي لكتل متساوية من الوقود النووي‬. )‫عسكريا ً عند إنتاج القنبلة األندماجية و التي تسمى أيضا ً (بالقنبلة الهيدروجينيـة‬ ‫القنبلة الهيدروجينية هي أعظم خطرا ً وأش ُد فتكا ً من القنبلة النووية ( األنشطارية ) ويمثل هذا النوع من القنابل األندماجيـة مثالً على‬. ‫التفاعالت النووية األندماجية غير المسيطر عليها‬ Q/ what the controlled fusion reaction is called? Ans/ Controlled Fusion nuclear reaction is called the inexhaustible energy source because the source for this reaction is Hydrogen (it is abundant and available in water on earth). ‫ ماذا يُطلَق على التفاعل النووي األندماجي المسيطر عليه ؟‬/ ‫س‬. ) ‫ يسمى التفاعل النووي األندماجي المسيطر عليه بـ ( مصدر الطاقة الذي قد ال ينضب‬/ ‫الجواب‬ Q/ What do we mean when we say the controlled nuclear fusion reaction is of called the source of energy which is inexhaustible. Explain that. Ans/ because the source for this reaction is Hydrogen (it is abundant and available in water on earth). Q/ Why Nuclear fusion is considered a source of clean energy? Ans/ Because helium is non-radiant by-product, unlike radioactive reactants in nuclear fission. ‫ يعد األندماج النووي مصدرا ً للطاقة النظيفة؟‬/‫س‬ ‫ إذ ان الهيليوم مثالً هو ناتج غير مشع أي بعكس النواتج المشعة والتي تحدث عادة‬, ‫يعد األندماج النووي مصدرا ً للطاقة النظيفة نوعا ً ما‬. ‫في عملية األنشطار النووي‬ 32 ‫?‪Q/ What are the difficulties to achieve nuclear fusion‬‬ ‫‪Ans/‬‬ ‫‪1- The major difficulty is repulsive electrical coulomb force between protons‬‬ ‫‪and reacting nuclei when the distance between them is short.‬‬ ‫‪2- To enable protons overcome repulsive electrical coulomb force, the‬‬ ‫‪nuclear reaction temperature must be very high (about 𝟏𝟎𝟖 𝐊), whereby‬‬ ‫‪the medium to bear such heat becomes plasma (the fourth state of matter).‬‬ ‫‪There is currently no material that can handle such heat.‬‬ ‫س ‪ /‬ماهي الصعوبات التي تواجه تحقيق عملية االندماج النووي والحصول على طاقة مفيدة منه ؟‬ ‫الجواب ‪/‬‬ ‫‪ -1‬وجود قوة كولوم الكهربائيـة التنافريـة الكبيرة بين البروتونات والنوى المتفاعلـة عندما تكون المسافـة بينهم قصيرة‪.‬‬ ‫‪ -2‬وألجل إعطاء البروتونات والنوى المتفاعلـة طاقة كافيـة للتغلب على قوة كولوم الكهربائيـة التنافريـة فإنه يتطلب رفع درجة حرارة التفاعل‬ ‫المعول عليه في مثل هذه الدرجات الحراريـة العاليـة هو ما‬ ‫ّ‬ ‫النووي إلى درجـة حرارة مرتفعة جدا ً (حوالي 𝑲 𝟖𝟎𝟏 ) ‪ ,‬يصبح الوسط‬ ‫يسمى بـ (البالزمــا) أي (الحالـة الرابعة للمادة)‪.‬ولكن ال توجد مادة معروفة في الوقت الحاضر لها القدرة على تح ّمل مثل هذه الحرارة‬ ‫العاليـة جداً‪.‬‬ ‫‪ Note:‬‬ ‫‪ Due to technical difficulties, there is no real advantage from fusion‬‬ ‫‪nuclear reaction for peaceful purposes.‬‬ ‫‪ Scientists now seek to discover new ways to contain reacting plasma‬‬ ‫‪needed in nuclear fusion like using the magnetic field to enclose plasma‬‬ ‫‪in a container but away from the walls (like tokamak device).‬‬ ‫‪ If a controlled fusion nuclear reaction is attainable, fusion nuclear‬‬ ‫‪reactors will be the future of this energy.‬‬ ‫إنـــتـــــبـــاه ‪ :‬ونظرا ً للصعوبة التقنية فأنه وفي الوقت الحاضر ال توجد استفادة حقيقية وعلى نطاق واسع من التفاعل النووي االندماجي‬ ‫ ‬ ‫لألغراض السلمية‬ ‫يسعى العلماء والباحثون حاليا ً إلى إبتكار طرق جديدة ألحتواء البالزما المتفاعلـة والالزمـة لإلندماج النووي مثل إستعمال المجال‬ ‫ ‬ ‫حاويـة ولكن بعيدا ً عن جدرانها ( مثل جهاز التوكاماك ) ‪.‬‬ ‫المغناطيسي لحصر البالزما داخل ّ‬ ‫إنـــتـــــبـــــاه ‪ :‬لو أمكن التوصل إلى تفاعل نووي إندماجي مسيطر عليه ألصبحت المفاعالت النووية االندماجيـة من أهم مفاعالت‬ ‫ ‬ ‫المستقبل‬ ‫‪33‬‬  ‫خماطر وفوائد األشعاع النووي‬ You might be surprised to know that we all exposed to nuclear radiations all the time. But where these nuclear radiations come from? The logical answer to this question is certainly from the environment in which we live. Sources of nuclear reaction are generally divided into two: 1. Sources of natural background nuclear radiation. 2. Sources of artificial nuclear radiation. ‫مصادر اإلشعاع النووي الخلفي الطبيعي‬ ‫مصادر اإلشعاع النووي االصطناعي‬ 1. Sources of natural background nuclear radiation: This includes cosmic ray and nuclear radiation from earth crust, as well as radioactive activity in the human body. ً :‫ مصادر األشعاع النووي اخللفي الطبيعي‬/ ‫أوال‬. ‫ وكذلك النشاط اإلشعاعي في جسم األنسان‬،‫ واألشعاع النووي من القشرة األرضيـة‬،‫وتشتمل على األشعة الكونيـة‬ 34  ‫ً‬ ‫ثانيا ‪ /‬مصادر األشعاع النووي األصطناعي ‪:‬‬ ‫ومنــهــا ‪:‬‬ ‫المصادر النووية المشعة المستعملة في الطب لغرض التشخيص والعالج ‪.‬‬ ‫‪-1‬‬ ‫النفايات النووية المشعـة ‪.‬‬ ‫‪-2‬‬ ‫الغبار النووي المتساقط في إختبارات األسلحة النووية ‪.‬‬ ‫‪-3‬‬ ‫األشعاعات النووية المنتجة من المفاعالت النووية ‪.‬‬ ‫‪-4‬‬ ‫إستعمال المصادر المشعة في البحوث والدراسات ‪.‬‬ ‫‪-5‬‬ ‫املــخـــاطــر ‪:‬‬ ‫س ‪ /‬عالم يعتمد نوع الضرر ودرجته لألشعاع النووي على جسم االنسان ؟‬ ‫الجواب ‪ /‬يعتمد على ‪:‬‬ ‫‪ -1‬نوع األشعاع ( كأشعة كاما أو جسيمات ألفــا ‪...‬ألخ )‬ ‫‪ -2‬طاقة هذا األشعاع ‪.‬‬ ‫‪ -3‬العضو المعرضّ لهذا األشعاع ( كبد أو عظم أو عين ‪...‬ألخ )‬ ‫‪ As the radiation damage in humans’ body is caused by ionizing body cells.‬‬ ‫ينتج التلف اإلشعاعي في جسم األنسان في المقام األول من تأثير التــأين في خاليا الجسم المختلفة‪.‬‬ ‫ ‬ ‫‪35‬‬ ‫ي ؤدي الضرر في خاليا الجسم االعتيادية الى تأثيرات مبكرة مثل إلتهاب الجلد أو تأثيرات متأخرة مثل مرض السرطان ( تأثيرات جسديـة ) ‪.‬‬ ‫ ‬ ‫مشوهة ويمكن أن ينتقل الضرر إلى األجيال الالحقـة ( تأثيرات وراثيـة )‬ ‫ّ‬ ‫تؤدي األضرار التي تحدث في الخاليا التناسليـة الى حدوث والدات‬ ‫ ‬ ‫الوقايـة من خماطر األشعاع النووي‪:‬‬ ‫عند التعرض لألشعاع النووي إضطراريا فإنه يجب إبقاء التعرض إلى أقل ما يمكن ‪ ,‬ويمكننا تحقيق ذلك من خالل ما يلي ‪:‬‬ ‫‪ -1‬تقليل زمن التعرض لألشعاع النووي إلى أقل ما يمكن ‪.‬‬ ‫‪ -2‬األبتعاد عن مصدر األشعاع النووي إلى أكثر ما يمكن ‪.‬‬ ‫‪ -3‬إستعمال الحواجز الواقيـة والمالئمـة ( د ِِر ْع ) بين األنسان ومصدر األشعاع النووي ( استعمال مادة الرصاص مثال ) ‪.‬‬ ‫‪36‬‬  ‫‪ -1‬في مجال الطب ‪:‬‬ ‫ يمكن استعمال االشعاع النووي والطاقة النووية في القضاء على بعض الكائنات المرضيـة التي تسبب بعض األمراض كالفايروسات ‪.‬‬ ‫ تستعمل في تعقيم بعض المستلزمات الطبيـة ‪.‬‬ ‫‪ -2‬في المجال الزراعي ‪:‬‬ ‫ في دراسة فسلجـة النبات وتغذيتـه ‪.‬‬ ‫ تستعمل في حفظ المواد الغذائيـة ‪.‬‬ ‫‪ -3‬في المجال الصناعي ‪:‬‬ ‫ تستعمل في تسيير المركبات الفضائيـة ‪.‬‬ ‫ تستعمل في تسيير السفن البحريـة والغواصات ‪.‬‬ ‫‪37‬‬ Questions of chapter 10 38